کتاب مبانی بنیادین شیمی سبز

عنوان کتاب: مبانی بنیادین شیمی سبز

 

کتاب مبانی بنیادین شیمی سبز نوشته نسیم شکوری میباشد. شیمی سبز (Green chemistry) که شیمی پایدار نیز نامیده می‌شود بخشی از علم شیمی و مهندسی شیمی است که بر طراحی محصولات و فرآیندهایی متمرکز است که استفاده و تولید مواد خطرناک را به حداقل می‌رساند یا از بین می‌برد. شیمی سبز بر تأثیرات زیست‌محیطی شیمی، از جمله کاهش مصرف منابع غیر قابل تجدید و رویکردهای فناوری برای جلوگیری از آلودگی متمرکز است.

شیمی سبز از ایده‌های موجود و تلاش‌های تحقیقاتی (مانند اقتصاد اتمی و تجزیه و تحلیل) در دوره منتهی به دهه ۱۹۹۰، در چارچوب توجه بیشتر به مشکلات آلودگی شیمیایی و کاهش منابع ، پدید آمده است. توسعه شیمی سبز در اروپا و ایالات متحده با تغییر در استراتژی‌های حل مسئله زیست‌محیطی مرتبط بوده است. اگر مایلید اطلاعات بیشتری در مورد شیمی سبز و کاربردهای آن کسب کنید با ادامه کتاب مبانی بنیادین شیمی سبز  همراه باشید.

 

چکیده ای از کتاب:

اصول شیمی سبز

شیمی دانان و مهندسان شیمی که از شیمی سبز استفاده می کنند ، کل چرخه زندگی یک محصول یا فرآیند را از ریشه مواد مورد استفاده برای ساخت تا سرنوشت نهایی مواد پس از پایان عمر مفید آنها را بررسی می کنند. با استفاده از چنین رویکردی، دانشمندان توانسته اند تأثیرات مواد شیمیایی مضر در محیط را کاهش دهند. تحقیق و توسعه در زمینه شیمی سبز در چندین زمینه مختلف اتفاق می افتد.

خوراک های جایگزین

از نظر تاریخی، بسیاری از موادی که برای تولید محصولات استفاده می شوند غالباً از منابع محدود سمی یا تهی شونده مانند نفت است اما تحقیقات شیمی سبز در حال ایجاد روش هایی برای تولید محصولات از مواد تجدید پذیر و غیر خطرناک مانند گیاهان و زباله های کشاورزی است.

به عنوان مثال، سلولز و همی سلولز که تا هشتاد درصد زیست توده را تشکیل می دهند، می توانند به قندها تجزیه شوند، سپس به کالاهای شیمیایی مانند اتانول، اسیدهای آلی، گلیکول ها و آلدئیدها تخمیر شوند. تبدیل زیست توده به اتانول به دلیل داشتن دسته جدیدی از باکتریهای اصلاح شده ژنتیکی که قادر به تجزیه قندهای مختلف در همی سلولز هستند، از نظر اقتصادی و فنی مقرون به صرفه است.

تولیدات بی خطر

روشهایی که برای ساخت مواد شیمیایی استفاده می شود روشهای مصنوعی نامیده می شوند و اغلب از مواد شیمیایی سمی مانند سیانور یا کلر استفاده می کنند. علاوه بر این، این روش ها گاهاً مقادیر زیادی پسماند خطرناک ایجاد می کنند. تحقیقات شیمی سبز در حال توسعه روشهای جدید برای کارآیی بیشتر این روشهای مصنوعی و به حداقل رساندن ضایعات و در عین حال اطمینان از عدم خطرناک بودن مواد شیمیایی مورد استفاده و تولید شده توسط این روشها است.

به عنوان مثال، تعدادی از صنایع مانند صنعت خمیر کاغذ و کاغذ، از ترکیبات کلر در فرآیندهای تولید زباله های آلی کلر سمی استفاده می کنند. شیمیدانان سبز فناوری جدیدی را تولید کرده اند که با استفاده از نمک های اکسیژن، آب و پلی اکسومتالات، خمیر چوب را به کاغذ تبدیل می کند، در حالی که فقط آب و دی اکسید کربن را به عنوان محصولات جانبی تولید می شود.

طراحی مواد شیمیایی ایمن تر

پس از اطمینان از اینکه مواد اولیه خوراکی و روش های مورد نیاز برای تولید ماده از نظر زیست محیطی بی خطر هستند، اطمینان از غیر سمی بودن محصول نهایی مهم است. دانشمندان با درک آنچه باعث آسیب زدن به چیزی می شود (حوزه سم شناسی مولکولی) می توانند ساختار مولکولی را طوری طراحی کنند که خطرناک نباشد.

شیمی سبز تحلیلی

مدتهاست که شناسایی، اندازه گیری و پایش مواد شیمیایی در محیط از طریق شیمی تحلیلی ابزاری برای حفاظت از محیط زیست بوده است. به جای اندازه گیری مشکلات زیست محیطی بعد از بروز آنها ، شیمی سبز به دنبال جلوگیری از تشکیل مواد سمی است و بنابراین از چنین مشکلاتی جلوگیری می کند.

با استفاده از سنسورها و سایر ابزارها به عنوان بخشی از فرایندهای تولید صنعتی، شیمی تحلیلی سبز قادر است مقدار کمی از ماده سمی را تشخیص داده و کنترل فرآیند را تنظیم کند تا تشکیل آن به حداقل برسد یا متوقف شود. بعلاوه، اگرچه روشهای سنتی شیمی تحلیلی از موادی مانند حلال های خطرناک استفاده می کند، روشهای تحلیلی سبز در حال توسعه هستند تا هنگام انجام تجزیه و تحلیل، استفاده و تولید این مواد را به حداقل برسانند.

فواید و مزایا

بازده بالاتر برای واکنش های شیمیایی، مصرف مقادیر کمتری از مواد اولیه برای به دست آوردن همان مقدار محصول مراحل مصنوعی کمتر، اغلب امکان تولید سریعتر محصولات، افزایش ظرفیت گیاه و صرفه جویی در انرژی و آب را دارد کاهش ضایعات، از بین بردن هزینه های اصلاح، دفع زباله های خطرناک و تیمارهای انتهایی اجازه جایگزینی ماده اولیه خریداری شده توسط یک ماده زائد عملکرد بهتر به طوری که برای دستیابی به عملکرد مشابه به محصول کمتری نیاز است کاهش استفاده از فرآورده های نفتی، کاهش سرعت تخلیه آنها و جلوگیری از خطرات و نوسانات قیمت آنها افزایش توان تولید کارخانه ها، افزایش فروش و بهبود رقابت تولیدکنندگان مواد شیمیایی و مشتریان آنها می باشد.

مزایای استفاده از شیمی سبز

شیمی سبز در کاهش تأثیر مواد شیمیایی بر سلامت انسان و محیط زیست موثر است. علاوه بر این، بسیاری از شرکت ها دریافتند که دستیابی به اهداف زیست محیطی می تواند ارزان تر و حتی سودآور باشد. سود حاصل از کارایی بالاتر، ضایعات کمتر، کیفیت بهتر محصول و کاهش مسئولیت است. بسیاری از قوانین و مقررات زیست محیطی مواد شیمیایی خطرناک را هدف قرار می دهد و رعایت همه این الزامات می تواند پیچیده باشد.

اما شیمی سبز به شرکت ها این امکان را می دهد که از راه های بسیار ساده و ارزانتری قانون را رعایت کنند. سرانجام، شیمی سبز یک رویکرد بنیادی مبتنی بر علم است. پرداختن به مسئله خطر در سطح مولکولی، می تواند برای انواع مسائل زیست محیطی اعمال شود.

از سال ۱۹۹۱  پیشرفت های زیادی در شیمی سبز، هم در تحقیقات دانشگاهی و هم در اجرای صنعتی، حاصل شده است. به عنوان مثال  Spinosad  یک حشره کش است که با تخمیر ارگانیسم های موجود در خاک به طور طبیعی تولید می شود و توسط EPA به عنوان یک حشره کش کم خطر ثبت شده است و  به ۹۰ درصد از حشرات مفید آسیب نمی رساند.

این ترکیب از نظر سمیت خطر نسبتا کمی برای پستانداران و پرندگان دارد و برای ارگانیسم های آبی نسبتاً سمی است اما تا زمان خشک شدن برای زنبورهای عسل سمی است. در یک پیشبرد دیگر، یک حلال تمیز کننده صنعتی، لاکتات اتیل  ساخته شده از نشاسته ذرت و روغن سویا در سال ۲۰۰۰ ثبت اختراع شد و با حلال های پتروشیمی قیمت رقابتی دارد. این ماده به دی اکسید کربن و آب تجزیه می شود و هیچ اثر مضر شناخته شده ای برای محیط زیست، انسان و حیات وحش ندارد. با این حال، این پیشرفت ها، بخش بسیار کمی از کاربردهای بالقوه شیمی سبز را نشان می دهد.

از آنجا که محصولات و فرایندهایی که اساس اقتصاد و زیرساخت ها را تشکیل می دهند، مبتنی بر طراحی و استفاده از مواد شیمیایی و مواد هستند، چالش های پیش روی این حوزه بسیار زیاد است.

فواید شیمی سبز برای سلامتی انسان هوای تمیزتر: انتشار کمتر مواد شیمیایی خطرناک به هوا منجر به آسیب کمتری به ریه ها می شود آب تمیزتر: انتشار کمتر مواد زائد شیمیایی خطرناک به آب منجر به تمیزتر شدن آب آشامیدنی و تفریحی می شود افزایش ایمنی برای کارگران در صنایع شیمیایی؛ استفاده کمتر از مواد سمی؛ تجهیزات محافظ شخصی کمتر مورد نیاز است. پتانسیل کمتری برای اتفاقات تصادفی (به عنوان مثال، آتش سوزی یا انفجار) وجود دارد.

انواع کالاهای مصرفی ایمن تر: محصولات جدید و ایمن برای خرید در دسترس قرار می گیرند. برخی از محصولات (به عنوان مثال، داروها) با ضایعات کمتری ساخته می شوند. برخی از محصولات (به عنوان مثال، سموم دفع آفات، محصولات تمیز کننده) جایگزین محصولات کم خطرتر می شوند.

غذای ایمن تر: از بین بردن مواد شیمیایی سمی مداوم که می توانند وارد زنجیره غذایی شوند. سموم دفع آفات امن تر که فقط برای آفات خاص سمی هستند و پس از استفاده به سرعت تخریب می شوند. بنابراین انسان کمتر در معرض مواد شیمیایی سمی که باعث برهم خوردن تعادل غدد درون ریز می شود، قرار می گیرد.

فواید شیمی سبز برای محیط زیست

بسیاری از مواد شیمیایی با رهاسازی عمدی در حین استفاده (به عنوان مثال، سموم دفع آفات)، با انتشار آزادانه ناخواسته (از جمله انتشار در حین تولید) یا با دفع در محیط به پایان می رسند. مواد شیمیایی سبز یا به محصولات بی ضرر تبدیل می شوند یا برای استفاده بیشتر بازیابی می شوند. گیاهان و حیوانات آسیب کمتری از مواد شیمیایی سمی در محیط می بینند. پتانسیل کمتری برای گرم شدن کره زمین ، تخریب ازن و تشکیل دود و مه دود وجود دارد. اختلال شیمیایی کمتری در اکوسیستم ها رخ می دهد و استفاده کمتر از محل دفن زباله، به ویژه دفن زباله های خطرناکوجود دارد.

اصول 12 گانه شیمی سبز

ﺷﯿﻤﯽ ﺳﺒﺰ اﺳﺘﻔﺎده از ﺷﯿﻤﯽ ﺑﺮاي ﮐﺎﻫﺶ ﻣﻨﺒﻊ آﻻﯾﻨﺪه ﻫﺎ اﺳﺖ. ﺗﻌﺮﯾﻒ ﺷﺎﻣﻞ ﺗﻤﺎم ﺟﻨﺒﻪ ﻫﺎي ﻓﺮاﯾﻨﺪﻫﺎي ﺷﯿﻤﯿﺎﯾﯽ ﻣﯽ ﺑﺎﺷﺪ ﮐﻪ ﺑﺮ ﺳﻼﻣﺖ اﻧﺴﺎن و ﻣﺤﯿﻂ زﯾﺴﺖ ﺗﺎﺛﯿﺮ دارد.

ﯾﮏ ﻣﻔﻬﻮم ﺳﻨﺘﯽ در ﺷﯿﻤﯽ ﻓﺮاﯾﻨﺪ ﺑﻬﯿﻨﻪ ﺳﺎزي ﻋﻤﻠﮑﺮد زﻣﺎن و ﻣﮑﺎن ﻣﯽ ﺑﺎﺷﺪ. از دﯾﺪﮔﺎه ﻣﺪرن ﻣﺎ، اﯾﻦ دﯾﺪﮔﺎه ﻣﺤﺪود ﺑﺎﯾﺪ ﮔﺴﺘﺮش ﯾﺎﺑﺪ، ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﻣﺜﺎل ﺿﺎﯾﻌﺎت ﺳﻤﯽ از ﻣﻨﺎﺑﻊ ﻃﺒﯿﻌﯽ ﻣﯽ ﺗﻮاﻧﺪ ﻣﻌﻨﺎي زﻧﺪﮔﯽ ﺑﺮاي ﻧﺴﻞ ﻫﺎي آﯾﻨﺪه را از ﺑﯿﻦ ﺑﺒﺮد. ﻋﻼوه ﺑﺮ اﯾﻦ، ﺑﺴﯿﺎري از ﻣﻮاد ﺧﺎم ﺑﺮاي ﺗﻮﻟﯿﺪ ﻣﻮاد ﺷﯿﻤﯿﺎﯾﯽ، ﯾﮏ ﻣﻨﺒﻊ ﺗﺠﺪﯾﺪ ﭘﺬﯾﺮ ﻧﻤﯽ ﺑﺎﺷﺪ  ﺳﻮال ﮐﻠﯿﺪي اﯾﻦ اﺳﺖ ﮐﻪ ﭼﻪ ﺟﺎﯾﮕﺰﯾﻨﯽ را ﻣﯽ ﺗﻮان ﺗﻮﺳﻌﻪ داد و اﺳﺘﻔﺎده ﮐﺮد؟ ﻋﻼوه ﺑﺮ اﯾﻦ، ﻣﺎ ﺑﺎﯾﺪ اﻃﻤﯿﻨﺎن ﺣﺎﺻﻞ ﮐﻨﯿﻢ ﮐﻪ ﻧﺴﻞ ﻫﺎي آﯾﻨﺪه ﻧﯿﺰ ﻣﯽ ﺗﻮاﻧﻨﺪ از اﯾﻦ ﮔﺰﯾﻨﻪ ﻫﺎي ﺟﺪﯾﺪ اﺳﺘﻔﺎده ﮐﻨﻨﺪ.

شیمی سبز عبارت است از : طراحی فرآورده ها و فرایندهای شیمیایی كه بكارگیری و تولید مواد آسیب رسان به سلامت آدمی و محیط زیست را كاهش می دهند یا از بین می برند.

 شبكه جهانی كه از طرفداران شیمی سبز به وجود آمده است دوازده اصل را برای شیمی سبز مشخص نموده اند، اكنون به بیان این اصول می پردازیم.

اصل اول :

پیشگیری از تولید فراورده های بیهوده بهتر است كه از ساخت و تولید زباله و سمپادهای سمی جلوگیری شود تا اینكه پس از تولید بفكر ضرر نمودن سمپاندهای سمی و یا پاك كردن محیط از آنها شد.

اصل دوم :

اقتصاد دائم، افزایش بهره وری از اتم اقتصاد دائم به این مفهوم است كه بازده واكنش های شیمیایی را افزایش دهیم. یعنی طراحی واكنش های شیمیایی به شیوه ای باشند كه فراورده های نهایی بیشتری بدست آید بهتر با كاهش میزان تولید فراورده های بیهوده و مازاد بازده واكنش ها را افزایش دهیم.

اصل سوم :

طراحی فرایندهای شیمیایی كم آسیب تر شیمی دان ها در جایی كه امكان دارد باید شیوه ایی را طراحی كنند تا موادی را بكار برد یا تولید كند كه اثرات سود كمتری برای آدمی یا محیط زیست داشته باشند. اغلب برای یك واكنش شیمیایی مواد اولیه گوناگونی وجود دارد كه از میان آن ها می توان مناسب ترین را برگزید.

اصل چهارم :

طراحی مواد و فراورده های شیمایی سالم تر فراورده های شیمیایی باید به گونه ای طراحی شوند كه با وجود كاهش خطر سمیت كار خود را به خوبی انجام دهند. فراورده های جدید را می توان به گونه ای طراحی كرد كه سالم تر باشند و در همان حال، كار در نظر گرفته شده برای آنها را به خوبی انجام دهند.

اصل پنجم :

بهره گیری از حلال ها و شرایط واكنشی سالم تر بهره گیری از مواد كمكی ( مانند حلال ها و عامل های جدا كننده) تا جایی كه امكان دارد به كمترین اندازه برسد و زمانی كه بكار می روند از گونه های كم آسیب رسان باشند.

اصل ششم :

افزایش بازده انرژی در فرآیندهای شیمیایی، روشهای ساخت و جداسازی تا جایی كه امكان دارد به گونه ایی طراحی شده اند كه نیاز به انرژی را كاهش دهند و در انتهای واكنش به انرژی بیشتری دست یابیم.

اصل هفتم :

بهره گیری از مواد اولیه باز گردانی شدنی واكنشهای شیمیایی باید به گونه ایی طراحی شوند تا از مواد اولیه ی كه قابلیت بازگردانی دارند بهره بگیریم.

اصل هشتم :

پرهیز از مشتقهای شیمیایی مشتق گرفتن ( مانند بهره گیری از گروه های محدود كننده یا تغییر های شیمیایی و فیزیكی گذرا) باید كاهش یابد، زیرا چنین مرحله هایی به واكنشگرهای اضافی نیاز دارند كه می توانند فراورده های بیهوده تولید كنند.

 اصل نهم :

بهره گیری از كاتالیزگرها كاتالیزگرها گزینشی بودن یك واكنش را افزایش می دهند؛ دمای مورد نیاز را كاهش می دهند، واكنش های جانبی را به كمترین اندازه می رسانند، میزان تبدیل شدن واكنش گرها به فراورده های نهایی را افزایش می دهند.

اصل دهم :

طراحی برای تخریب پذیر بودن محصولات فراورده های شیمیایی باید به گونه ای طراحی شوند كه در پایان محصولات به صورتی باشند كه در طبیعت تخریب پذیر باشند و در محیط زیست زیاد نمانند وهر چه سریعتر تجزیه شوند.

اصل یازدهم :

تخمین زمان واقعی یك واكنش برای پیشگیری از آلودگی بسیار اهمیت دارد كه پیشرفت یك واكنش را همواره پی گیری كنیم تا بدانیم چه هنگام واكنش  كامل می شود زیرا پس از كامل شدن یك واكنش شیمیایی فراورده های ناخواسته جانبی تولید می شوند.

اصل دوازدهم :

كاهش احتمالی روی دادهای ناگوار یك راه برای كاهش احتمال رویدادهای شیمیایی ناخواسته بهره گیری از واكنش گرها و حلال هایی است كه احتمال انفجار، آتش سوزی و رها شدن ناخواسته ی مواد شیمیایی را كاهش می دهند. آسیب های مرتبط با این روی دادها را می توان به تغییر دادن حالت ( جامد، مایع، گاز ) یا تركیب واكنش گرها كاهش داد.

ﭘﯿﺎده ﺳﺎزي اﯾﻦ اﺻﻮل ﺷﯿﻤﯽ ﺳﺒﺰ ﻧﯿﺎز ﺑﻪ ﺳﺮﻣﺎﯾﻪ ﮔﺬاري ﺧﺎص دارد. ﻓﺮاﯾﻨﺪﻫﺎي ﺷﯿﻤﯿﺎﯾﯽ ﺑﺴﯿﺎر ارزان ﻗﯿﻤﺖ دوﺑﺎره ﺑﺎﯾﺪ ﻃﺮاﺣﯽ ﺷﻮد. ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﻣﺜﺎل در دﺳﺘﺮس ﺑﻮدن ﻓﻠﺰات واﺳﻄﻪ ﻣﺤﺪود ﻣﯽ ﺷﻮﻧﺪ و ﻫﻤﭽﻨﯿﻦ ﻫﺰﯾﻨﻪ ﻫﺎي اﻧﺮژي اﻓﺰاﯾﺶ ﯾﺎﻓﺘﻪ و ﺳﺮﻣﺎﯾﻪ ﮔﺬاري از ﺳﺮ ﮔﺮﻓﺘﻪ ﺷﻮد. ازآﻧﺠﺎﯾﯿﮑﻪ ﻓﺮآﯾﻨﺪﻫﺎي ﺑﻬﯿﻨﻪ ﺳﺎزي ﻧﺴﺒﺖ ﺑﻪ ﻓﺮآﯾﻨﺪﻫﺎي ﻏﯿﺮ ﺑﻬﯿﻨﻪ ارزاﻧﺘﺮ ﻫﺴﺘﻨﺪ،  ﻟﺬا ﺗﻮﺳﻌﻪ روش ﻫﺎي ﺳﺒﺰﺗﺮ ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﯾﮏ ﺳﺮﻣﺎﯾﻪ ﮔﺬاري ﺑﺮاي آﯾﻨﺪه، ﮐﻤﮏ ﻣﯽ ﮐﻨﺪ ﺗﺎ اﻃﻤﯿﻨﺎن ﺣﺎﺻﻞ ﺷﻮد ﮐﻪ ﺗﻮﻟﯿﺪات ﻣﻄﺎﺑﻖ ﺑﺎ ﻣﻘﺮرات ﻗﺎﻧﻮﻧﯽ اﻧﺠﺎم ﺷﻮد در اﯾﻦ راﺳﺘﺎ ﻣﯽ ﺗﻮان ﺣﻼل ﻫﺎ، ﻣﻌﺮف ﻫﺎ، ﮐﺎﺗﺎﻟﯿﺰورﻫﺎ و ﻣﻮاد زاﺋﺪ را دوﺑﺎره ﺑﺎزﯾﺎﻓﺖ ﮐﺮد.

ﺷﯿﻤﯽ ﺳﺒﺰ ﺑﻪ دﻧﺒﺎل ﮐﺎﻫﺶ ﺗﺎﺛﯿﺮات ﻣﻨﻔﯽ ﺷﯿﻤﯽ در ﻣﺤﯿﻂ زﯾﺴﺖ ﺑﺎ ﺟﻠﻮﮔﯿﺮي از آﻟﻮدﮔﯽ در ﻣﻨﺸﺎء آن ﻣﯽ ﺑﺎﺷﺪ. ﺗﻤﺮﮐﺰ ﺑﺮ ﺑﻪ ﺣﺪاﻗﻞ رﺳﺎﻧﺪن ﺧﻄﺮ و ﺑﻪ ﺣﺪاﮐﺜﺮ رﺳﺎﻧﺪن ﺑﻬﺮه وري از ﻫﺮ ﮔﻮﻧﻪ اﻧﺘﺨﺎب ﻣﻮاد ﺷﯿﻤﯿﺎﯾﯽ اﺳﺖ. در ﺳﺎل 2005 Ryōji Noyori ﺳﻪ ﮐﻠﯿﺪ ﺗﺤﻮل درﺷﯿﻤﯽ ﺳﺒﺰ را ﻣﻌﺮﻓﯽ ﮐﺮدﮐﻪ ﻋﺒﺎرﺗﻨﺪ از :  اﺳﺘﻔﺎده ازدي اﮐﺴﯿﺪ ﮐﺮﺑﻦ ﻓﻮق ﺑﺤﺮاﻧﯽ ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﺣﻼل ﺳﺒﺰ، ﻫﯿﺪروژن ﭘﺮوﮐﺴﯿﺪ آﺑﯽ ﺑﺮاي اﮐﺴﺎﯾﺶ ﻫﺎي ﺗﻤﯿﺰ و اﺳﺘﻔﺎده از ﻫﯿﺪروژن در ﺳﻨﺘﺰﻫﺎي ﻧﺎﻣﺘﻘﺎرن.

ﻣﺜﺎل ﻫﺎﯾﯽ از ﮐﺎرﺑﺮد ﺷﯿﻤﯽ ﺳﺒﺰ ﺑﺮاي اﮐﺴﺎﯾﺶ ﻓﻮق ﺑﺤﺮاﻧﯽ آب ﺑﺮ روي واﮐﻨﺶ ﻫﺎي آﺑﯽ و ﺷﺮاﯾﻂ ﻣﻼﯾﻢ ﻏﯿﺮ آﺑﯽ. ﻣﻬﻨﺪﺳﯽ زﯾﺴﺘﯽ ﻧﯿﺰ ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﯾﮏ روش ﻧﻮﯾﺪ ﺑﺨﺶ  در دﺳﺘﯿﺎﺑﯽ ﺑﻪ روش اﻫﺪاف  ﺷﯿﻤﯽ ﺳﺒﺰ ﺗﻠﻘﯽ ﻣﯽ ﺷﻮد. آب در ﻧﺰدﯾﮑﯽ ﯾﺎ ﺑﺎﻻي ﻧﻘﻄﻪ ﺑﺤﺮاﻧﯽ، ﺗﻮﺟﻪ زﯾﺎدي را ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﯾﮏ ﻣﺤﯿﻂ ﺑﺮاي اﺟﺮاي واﮐﻨﺶ ﻫﺎي ﺷﯿﻤﯿﺎﯾﯽ آﻟﯽ ﺑﻪ ﺧﻮد ﺟﻠﺐ ﮐﺮده اﺳﺖ. اﯾﻦ ﺗﻮﺟﻪ از روﯾﮑﺮد ﺑﻪ ﻓﺮاﯾﻨﺪﻫﺎي ﺷﯿﻤﯿﺎﯾﯽ ﺳﺒﺰ ﯾﺎ ﺑﯽ ﺿﺮر زﯾﺴﺖ ﻣﺤﯿﻄﯽ ﻧﺎﺷﯽ ﻣﯽ ﺷﻮد. از اﯾﻦ رو آب ﻓﻮق ﺑﺤﺮاﻧﯽ ﯾﺎ ﻧﺰدﯾﮏ ﺑﺤﺮاﻧﯽ ﺑﻪ ﺟﺎي ﺣﻼل ﻫﺎي آﻟﯽ در ﻓﺮاﯾﻨﺪﻫﺎي ﺷﯿﻤﯿﺎﯾﯽ ﻣﺰﯾﺖ ﻫﺎي زﯾﺴﺖ ﻣﺤﯿﻄﯽ از ﺟﻤﻠﻪ ﺟﻠﻮﮔﯿﺮي از آﻟﻮدﮔﯽ را ﺑﻪ ﻫﻤﺮاه دارد.

آب ﻓﻮق ﺑﺤﺮاﻧﯽ ﻫﻤﺎﻧﻨﺪ ﯾﮏ ﺣﻼل  آﻟﯽ ﻋﻤﻞ ﻣﯽ ﮐﻨﺪ. ﺑﻨﺎﺑﺮاﯾﻦ ﺗﺮﮐﯿﺒﺎت آﻟﯽ ﻏﯿﺮﻗﻄﺒﯽ و ﮔﺎزﻫﺎﯾﯽ ﻣﺎﻧﻨﺪ اﮐﺴﯿﮋن ﮐﺎﻣﻼ ﻗﺎﺑﻞ اﻣﺘﺰاج در آن ﻣﯽ ﺑﺎﺷﺪ. ﺗﺼﻔﯿﻪ اﮐﺴﺎﯾﺸﯽ ﭘﺴﺎب ﻫﺎي آﺑﯽ ﺣﺎوي ﺗﺮﮐﯿﺒﺎت آﻟﯽ ﺑﻪ ﺗﮑﻨﻮﻟﻮژي اﮐﺴﺎﯾﺶ آب ﻓﻮق ﺑﺤﺮاﻧﯽ ﻣﻌﺮوف اﺳﺖ. در ﻃﻮل اﯾﻦ ﻓﺮاﯾﻨﺪ ﺗﺮﮐﯿﺒﺎت آﻟﯽ ﮐﺎﻣﻼ ﺑﺎ اﮐﺴﯿﺪ ﮐﻨﻨﺪه ﮐﻪ ﺑﯿﺸﺘﺮ اﮐﺴﯿﮋن اﺳﺖ در ﯾﮏ واﮐﻨﺶ ﺗﮏ ﻓﺎزي واﮐﻨﺶ داده و CO2 وH2O ﺗﻮﻟﯿﺪ ﻣﯽ ﮐﻨﻨﺪ. ﻫﺘﺮو اﺗﻢ ﻫﺎي ﻣﻮﺟﻮد در ﭘﺴﺎب ﻫﺎي ﺻﻨﻌﺘﯽ   S ،Cl و P ﻧﯿﺰ ﺑﻪ اﺳﯿﺪﻫﺎي ﻣﻌﺪﻧﯽ H2SO4 ،HCl و H3PO4 ﺗﺒﺪﯾﻞ ﻣﯽ ﺷﻮﻧﺪ. ﻫﻤﭽﻨﯿﻦ ﻧﯿﺘﺮوژن ﻃﯽ ﻓﺮاﯾﻨﺪ ﻣﺬﮐﻮر ﺑﻪ N2 وNO2 ﺗﺒﺪﯾﻞ ﻣﯽ ﺷﻮد. از دﯾﮕﺮ ﺣﻼل ﻫﺎي ﺳﺒﺰ ﻣﯽ ﺗﻮان ﺑﻪ ﻣﺎﯾﻌﺎت ﯾﻮﻧﯽ اﺷﺎره ﻧﻤﻮد.

اﯾﻦ ﺗﺮﮐﯿﺒﺎت ﻋﻤﻮﻣﺎً ﺷﺎﻣﻞ ﯾﮏ ﮐﺎﺗﯿﻮن ﺣﺠﯿﻢ و ﯾﮏ آﻧﯿﻮن آﻟﯽ ﯾﺎ ﻣﻌﺪﻧﯽ ﻫﺴﺘﻨﺪ ﮐﻪ ﮔﺮﭼﻪ ﻣﺎﻫﯿﺖ ﯾﻮﻧﯽ دارﻧﺪ وﻟﯽ ﺑﻪ ﻋﻠﺖ ﻋﺪم ﺗﻘﺎرن در ﺳﺎﺧﺘﺎر ﻣﻠﮑﻮﻟﯽ ﺷﺎن داراي ﻧﻘﻄﻪ ذوب ﭘﺎﯾﯿﻦ و ﻣﻌﻤﻮﻻ در ﺷﺮاﯾﻂ ﻣﺤﯿﻄﯽ و در دﻣﺎي زﯾﺮ 100 درﺟﻪ ﺳﺎﻧﺘﯽ ﮔﺮاد ﺑﻪ ﻓﺮم ﻣﺎﯾﻊ ﻫﺴﺘﻨﺪ. و ﻣﻬﻤﺘﺮﯾﻦ ﻣﺰﯾﺖ آﻧﻬﺎ اﯾﻦ اﺳﺖ ﮐﻪ داراي ﻓﺸﺎر ﺑﺨﺎر (vapor pressure) ﭘﺎﯾﯿﻦ ﻣﯽ ﺑﺎﺷﻨﺪ ﺑﻪ ﻫﻤﯿﻦ دﻟﯿﻞ ﻏﯿﺮ ﻓﺮار)nonvolatile( ﺑﻮده و ﻣﺸﮑﻠﯽ ﺑﺮاي ﻣﺤﯿﻂ زﯾﺴﺖ اﯾﺠﺎد ﻧﻤﯽ ﮐﻨﻨﺪ. ﻣﺎﯾﻌﺎت ﯾﻮﻧﯽ (Ionic liquids) ﻣﯽ ﺗﻮاﻧﻨﺪ ﺟﺎﯾﮕﺰﯾﻦ ﺑﺴﯿﺎري از ﺣﻼل ﻫﺎي ﻣﻌﻤﻮل در ﺑﺮﺧﯽ ﺻﻨﺎﯾﻊ ﺑﺎﺷﻨﺪ. ﯾﮑﯽ از دﻻﯾﻠﯽ ﮐﻪ اﻣﺮوزه ﺗﺤﻘﯿﻘﺎت درﺑﺎره ﻣﺎﯾﻌﺎت ﯾﻮﻧﯽ را اﻓﺰاﯾﺶ داده، ﯾﮏ ﺟﺎﯾﮕﺰﯾﻦ ﻣﻨﺎﺳﺐ ﺑﺮاي ﺣﻼل ﻫﺎي ﻓﺮار آﻟﯽ ﻣﯽ ﺑﺎﺷﻨﺪ. ﻫﻤﭽﻨﯿﻦ ﻣﺎﯾﻌﺎت ﯾﻮﻧﯽ داراي ﻫﺪاﯾﺖ اﻟﮑﺘﺮﯾﮑﯽ ﻣﺘﻮﺳﻄﯽ ﻣﯽ ﺑﺎﺷﻨﺪ و ﻗﺎدر ﺑﻪ ﺗﺸﮑﯿﻞ ﯾﮏ ﺳﯿﺴﺘﻢ دوﻓﺎزي ﺑﺮاي ﺟﺪاﺳﺎزي ﻣﯽ ﺑﺎﺷﻨﺪ.

اﮔﺮ از ﻣﺎﯾﻌﺎت ﯾﻮﻧﯽ ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﮐﺎﺗﺎﻟﯿﺰور اﺳﺘﻔﺎده ﺷﻮد اﻣﮑﺎن اﺳﺘﻔﺎده ﻣﺠﺪد و ﺟﺪاﺳﺎزي آن در ﭘﺎﯾﺎن واﮐﻨﺶ راﺣﺖ است و ﺗﺎ دﻣﺎي 300 درﺟﻪ ﺳﺎﻧﺘﯽ ﮔﺮاد را ﺑﻪ راﺣﺘﯽ ﻣﯽ ﺗﻮاﻧﻨﺪ ﺗﺤﻤﻞ ﮐﻨﻨﺪ. دو ﮔﺮوه ﻋﻤﺪه از ﻣﺎﯾﻌﺎت ﯾﻮﻧﯽ ﺷﺎﻣﻞ نمک های اﯾﻤﯿﺪازوﻟﯿﻮم و ﭘﯿﺮﯾﺪﯾﻨﯿﻮم ﻣﯽ ﺑﺎﺷﻨﺪ. ﺳﻄﺢ ﻫﺎي اﺻﻼح ﺷﺪه ﺑﺎ ﻣﺎﯾﻊ ﯾﻮﻧﯽ در ﮐﺮوﻣﺎﺗﻮﮔﺮاﻓﯽ ﮔﺎزي (GC) ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﻓﺎز ﺳﺎﮐﻦ ﺑﻪ ﮐﺎر ﻣﯽ روﻧﺪ. از ﻧﻈﺮ ﭘﺎﯾﺪاري ﺣﺮارﺗﯽ در (GC)  ﻣﻌﻤﻮﻻ از ﺷﺮاﯾﻂ دﻣﺎﯾﯽ ﺑﺎﻻ اﺳﺘﻔﺎده ﻣﯽ ﺷﻮد و اﻧﺘﺨﺎب ﭘﺬﯾﺮي ﺑﺎﻻ ﻋﻠﺖ اﺳﺘﻔﺎده از ﺳﻄﻮح در ﮐﺮوﻣﺎﺗﻮﮔﺮاﻓﯽ ﮔﺎزي ﻣﯽ ﺑﺎﺷﺪ. ﻣﺎﯾﻌﺎت ﯾﻮﻧﯽ داراي ﭘﯿﻮﻧﺪ ﻫﯿﺪروژﻧﯽ، اﺳﯿﺪي و اﻧﺘﺨﺎب ﭘﺬﯾﺮي ﺑﺎﻻ ﻧﺴﺒﺖ ﺑﻪ ﺳﻄﺢ ﺳﯿﻼن و ﭘﻠﯽ اﺗﯿﻠﻦ ﮔﻠﯿﮑﻮل دارﻧﺪ.

اﯾﻦ ﻧﺸﺎن ﻣﯽ دﻫﺪ ﮐﻪ در ﮐﺮوﻣﺎﺗﻮﮔﺮاﻓﯽ ﺑﻪ ﺧﺎﻃﺮ ﮔﺴﺘﺮه دﻣﺎﯾﯽ از اﯾﻦ ﺳﻄﻮح اﺳﺘﻔﺎده ﻣﯽ ﺷﻮد. ﻣﺎﯾﻊ ﯾﻮﻧﯽ ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﻓﺎز ﺳﺎﮐﻦ (Stationary Phase) و ﻣﺘﺤﺮك (Mobile Phase ) در ﮐﺮوﻣﺎﺗﻮﮔﺮاﻓﯽ ﻣﺎﯾﻊ اﺳﺘﻔﺎده ﻣﯽ ﺷﻮد. اﺻﻼح ﺳﻄﺢ ﺗﻮﺳﻂ ﻣﺎﯾﻊ ﯾﻮﻧﯽ ﺑﺎﻋﺚ ﻣﯽ ﺷﻮد ﮐﻪ ﺑﺎ ﺗﻐﯿﯿﺮ ﮐﺎﺗﯿﻮن و آﻧﯿﻮن وﯾﺎ ﮔﺮوه آﻟﮑﯿﻞ و ﯾﺎ اﺿﺎﻓﻪ ﮐﺮدن ﮔﺮوه ﻫﺎي ﻋﺎﻣﻞ دار ﺧﻮاص ﺳﻄﻮح را ﺗﻐﯿﯿﺮ داد.

ﺿﻤﻨﺎً ﺑﺎ اﺳﺘﻔﺎده از ﻣﺎﯾﻊ ﯾﻮﻧﯽ ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﻓﺎز ﺳﺎﮐﻦ ﻣﯽ ﺗﻮان از آب ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﻓﺎز ﻣﺘﺤﺮك اﺳﺘﻔﺎده ﮐﺮد ﺑﺪون اﯾﻨﮑﻪ از ﺣﻼل آﻟﯽ اﺳﺘﻔﺎده ﺷﻮد. ﻣﻮارد اﺳﺘﻔﺎده از ﻣﺎﯾﻌﺎت ﯾﻮﻧﯽ ﻋﻤﺪﺗﺎً در اﺳﺘﺨﺮاج ﯾﻮن ﻫﺎي ﻓﻠﺰي ارزﺷﻤﻨﺪ ﻣﺎﻧﻨﺪ ﻃﻼ، ﻻﻧﺘﺎﻧﯿﺪﻫﺎ و اﮐﺘﻨﯿﺪﻫﺎ ﯾﺎ ﯾﻮن ﻫﺎي ﻓﻠﺰي ﺳﻤﯽ آب آﺷﺎﻣﯿﺪﻧﯽ ﻣﺎﻧﻨﺪ ﺟﯿﻮه و ﮐﺎدﻣﯿﻢ ﻣﯽ ﺑﺎﺷﺪ.

ﺗﺮﮐﯿﺒﺎت ﺳﻤﯽ ﭘﺲ از ورود ﺑﻪ ﻣﺤﯿﻂ زﯾﺴﺖ، وارد زﻧﺠﯿﺮه ﻏﺬاﯾﯽ ﺷﺪه و ﻧﻬﺎﯾﺘﺎً اﺛﺮات ﻣﺨﺮب زﯾﺴﺖ ﻣﺤﯿﻄﯽ در ﮐﻠﯿﻪ ﺳﻄﻮح ﻫﺮم اﮐﻮﻟﻮژﯾﮏ، ﺑﺮاي زﯾﺴﺖ ﻣﻨﺪان و ﻣﺤﯿﻂ زﯾﺴﺖ ﻣﺘﺠﻠﯽ ﻣﯽ ﮐﻨﺪ.  ﻧﻬﺎدﻫﺎي زﯾﺴﺖ ﻣﺤﯿﻄﯽ اروﭘﺎﯾﯽ و اﻣﺮﯾﮑﺎﯾﯽ اﺳﺘﻔﺎده از ﻓﺮاورده ﻫﺎﯾﯽ ﮐﻪ ﺣﺎوي ﺗﺮﮐﯿﺒﺎت ﺳﻤﯽ ﻫﻤﭽﻮن ﻓﻠﺰات ﺳﻨﮕﯿﻦ(ز ﺟﻤﻠﻪ ﺟﯿﻮه، ﮐﺮوم و…) اﺳﯿﺪﻫﺎ، ﺣﻼل ﻫﺎ، ﺗﺮﮐﯿﺒﺎت آﻟﯽ و… را ﻣﺤﺪود و ﺑﻌﻀﺎً ﻣﻤﻨﻮع ﮐﺮده اﻧﺪ. ﭘﺎرﻟﻤﺎن اروﭘﺎ در ﺳﺎل 2013 (2013 April) ﻗﺎﻧﻮن ﻣﻨﻊ اﺳﺘﻔﺎده از ﭘﺘﺎﺳﯿﻢ دي ﮐﺮوﻣﺎت را ﺗﺼﻮﯾﺐ ﮐﺮد.

ﻣﺤﺪودﯾﺖ و ﯾﺎ ﻣﻤﻨﻮﻋﯿﺖ ﮐﺎرﺑﺮد ﻣﻮاد ﺳﻤﯽ ﺻﺮﻓﺎً ﺑﻪ ﻣﻮاد ﺧﺎم ﻣﺼﺮﻓﯽ، ﻓﺮاﯾﻨﺪ ﻫﺎي ﺗﻮﻟﯿﺪي در واﺣﺪ ﻫﺎي ﺻﻨﻌﺘﯽ و ﻏﯿﺮﺻﻨﻌﺘﯽ  و ﻣﺤﺼﻮﻻت ﺟﺎﻧﺒﯽ و ﻓﺮاورده ﻫﺎي ﺗﻮﻟﯿﺪي ﻣﺤﺪود ﻧﻤﯽ ﺷﻮد ﺑﻠﮑﻪ ﺳﺎﯾﺮ ﻋﺮﺻﻪ ﻫﺎ ﺣﺘﯽ ﺗﮑﻨﻮﻟﻮژي ﻫﺎي اﻧﺪازه ﮔﯿﺮي آﻻﯾﻨﺪه ﻫﺎ را ﻧﯿﺰ در ﺑﺮ ﻣﯽ ﮔﯿﺮد. در اﯾﻦ راﺳﺘﺎ در ﺑﺮﺧﯽ روﺷﻬﺎي آزﻣﺎﯾﺸﮕﺎﻫﯽ از ﻣﻮاد ﺳﻤﯽ ﺟﻬﺖ آﻧﺎﻟﯿﺰ اﺳﺘﻔﺎده ﻣﯽ ﺷﻮد.

ﭘﺲ از آﻧﺎﻟﯿﺰ، ﭘﺴﻤﺎﻧﺪ ﺳﻤﯽ ﺗﻮﻟﯿﺪ ﻣﯽ ﺷﻮد. ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﻣﺜﺎل، در روش دي ﮐﺮوﻣﺎت ﺑﺮاي اﻧﺪازه ﮔﯿﺮي Chemical Oxygen Demand) COD) ﻧﻤﻮﻧﻪ ﻫﺎي آﺑﯽ (آﺑﻬﺎي ﺳﻄﺤﯽ، ﻓﺎﺿﻼب ﻫﺎي ﺧﺎﻧﮕﯽ و ﺻﻨﻌﺘﯽ) ﻣﻄﺎﺑﻖ اﺳﺘﺎﻧﺪارد ﻫﺎي آﻧﺎﻟﯿﺰ آب و ﻓﺎﺿﻼب (از ﺟﻤﻠﻪ:Standard Method,ASTM ,  EPA) ﭘﺴﻤﺎﻧﺪ ﻫﺎي ﺳﻤﯽ ﺷﺎﻣﻞ ﺟﯿﻮه، ﮐﺮوم 6 ﻇﺮﻓﯿﺘﯽ، اﺳﯿﺪ ﺳﻮﻟﻔﻮرﯾﮏ و ﻧﻘﺮه ﺗﻮﻟﯿﺪ ﻣﯽ ﺷﻮد. ﻟﺬا اﺳﺘﻔﺎده از اﯾﻦ روش، ﻣﺸﺮوط ﺑﻪ اﯾﻦ ﮐﻪ ﺗﻤﻬﯿﺪات ﻻزم ﺟﻬﺖ ﺧﻨﺜﯽ ﺳﺎزي و دﻓﻊ ﻣﻨﺎﺳﺐ ﭘﺴﺎب ﻧﺎﺷﯽ از روش ﻣﺬﮐﻮر  اﺗﺨﺎذ و اﻗﺪاﻣﺎت ﻋﻤﻠﯽ در اﯾﻦ ﺧﺼﻮص ﺻﻮرت ﮔﯿﺮد، ﺑﻼ ﻣﺎﻧﻊ ﺑﻮده و در ﻏﯿﺮ اﯾﻦ ﺻﻮرت ﺑﻪ ﻟﺤﺎظ آﻻﯾﻨﺪﮔﯽ ﭘﺴﺎب ﺣﺎﺻﻠﻪ، اﺳﺘﻔﺎده از اﯾﻦ روش ﺑﻪ ﻫﯿﭻ ﻋﻨﻮان ﻣﺠﺎز ﻧﻤﯽ ﺑﺎﺷﺪ.

ﺑﺎ ﻋﻨﺎﯾﺖ ﺑﻪ ﻣﺤﺪودﯾﺖ و ﺑﻌﻀﺎً ﻣﻤﻨﻮﻋﯿﺖ اﻋﻼم ﺷﺪه از ﺳﻮي ﻣﺮاﺟﻊ ﻣﺬﮐﻮر، ﺑﻪ ﻧﻈﺮ ﻣﯽرﺳﺪ ﺑﻪ ﻣﺪد اﺳﺘﻔﺎده از ﺗﮑﻨﻮﻟﻮژي ﻫﺎي ﻣﺒﺘﻨﯽ ﺑﺮ ﺷﯿﻤﯽ ﺳﺒﺰ از ﺗﻮﻟﯿﺪات ﻣﻮاد ﺳﻤﯽ ﻣﻀﺮ ﺑﺮاي ﻣﺤﯿﻂ زﯾﺴﺖ و زﯾﺴﺖ ﻣﻨﺪان ﺟﻠﻮﮔﯿﺮي ﺑﻪ ﻋﻤﻞ ﻣﯽ آﯾﺪ. ﺷﯿﻤﯽ ﺳﺒﺰ ﺑﻪ ﻣﺜﺎﺑﻪ رﻫﯿﺎﻓﺘﯽ ﮐﺎرآﻣﺪ ﺟﻬﺖ ﺟﻠﻮﮔﯿﺮي از آﻟﻮدﮔﯽ ﻣﺤﯿﻂ زﯾﺴﺖ ﺣﺎﺋﺰ اﻫﻤﯿﺖ اﺳﺖ. ﻟﺬا از اﻫﻢ  ﻣﺰاﯾﺎي اﺳﺘﻔﺎده از ﺷﯿﻤﯽ ﺳﺒﺰ ﻣﯽ ﺗﻮان ﺑﻪ ﻣﻮارد ذﯾﻞ اﺷﺎره ﮐﺮد:

• ﺳﻼﻣﺖ اﻧﺴﺎن
• ﻫﻮاي ﺳﺎﻟﻢ
• آب ﺳﺎﻟﻢ
• اﺳﺘﻔﺎده ﮐﻤﺘﺮ از ﻣﻮاد ﺳﻤﯽ و ﭘﺮﺧﻄﺮ ﺗﺠﻬﯿﺰات ﺣﻔﺎﻇﺖ ﻓﺮدي ﮐﻤﺘﺮ ﻣﺤﺼﻮﻻت ﻣﺼﺮﻓﯽ اﻣﻦ ﺗﺮ

آینده شیمی سبز

امروزه تخریب پلاستیک از ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ سال به طول می انجامد و هر سال از چهار تا دوازده میلیون تن پلاستیک اضافی وارد اقیانوس ها می شود. پلی اتیلن یکی از این پلاستیک ها است که گاهی اوقات با نام PET شناخته می شود. پلاستیک به لطف وزن سبک و مقاوم آن در همه جا برای ساخت بطری های پلاستیکی آب، کیسه های کاغذی، بسته بندی پوسته صدف و سایر ظروف استفاده می شود.

اما عیب این کیفیت مطلوب در زندگی مدرن این است که تخریب PET به دلیل ساختار مولکولی بسیار پایدار و انعطاف پذیری در برابر رطوبت (به هر حال برای ذخیره مایعات طراحی شده است) سخت است. خوشبختانه، محققان در ژاپن میکروبی را کشف کردند که می تواند PET را تجزیه کند و همچنین آنزیم هایی را برای تحریک میکروب ها برای تجزیه سریعتر PET شناسایی کرده اند.

در همین حال، در کالیفرنیا، محققان استنفورد امیدوارند که وسیله ای برای تولیدکنندگان فراهم کنند تا از فرآیند های تولید زباله و ساخت پلاستیک دور شوند. امروزه بسیاری از پلاستیک ها از نوع نفتی هستند. محققان آزمایشگاهی اخیراً روش جدیدی برای ساخت پلاستیک از دی اکسید کربن و محصولات جانبی گیاهی مانند ضایعات کشاورزی یا مواد گیاهی غیر قابل استفاده مانند الیاف باقیمانده از آب گیری هویج ایجاد کرده اند.

شیمی سبز پایه مهمی برای اقتصاد خواهد بود  زیرا استفاده بی رویه از منابع طبیعی یکی از اهداف اصلی آن است. برای یک فرد غیر علمی، شیمی سبز ممکن است بسیار فنی باشد اما برای کسانی که مایل به سرمایه گذاری در آن هستند نیز می تواند بسیار سودآور باشد.

بنیادهای شیمی سبز

شیمی سبز، که ‌بیش‌تر به عنوان شیوه‌ای برای پیش‌گیری از آلودگی در سطح مولکولی شناخته می‌شود، بر دوازده بنیاد استوار است که طراحی یا بازطراحی مولکول‌ها، مواد و دگرگونی‌های شیمیایی در راستای سالم‌تر کردن آن‌ها برای آدمی و محیط زیست، بر پایه‌ی آن‌ها انجام می‌شود.

پیش‌گیری از تولید فراورده‌های بیهوده

توانایی شیمی‌دان‌ها برای بازطراحی دگرگونی‌های شیمیایی برای کاستن از تولید فراورده‌های بیهوده‌ و آسیب‌رسان، نخستین گام در پیش‌گیری از آلودگی است. با پیش‌گیری از تولید فراورده‌های بیهوده، آسیب‌های مرتبط با انبارکردن، جابه‌جایی و رفتار با آن‌ها را به کم‌ترین اندازه‌ی خود کاهش می‌دهیم.

اقتصاد اتم، افزایش بهره‌وری از اتم

اقتصاد اتم به این مفهوم است که بازده دگرگونی‌های شیمیایی را افزایش دهیم. یعنی طراحی دگرگونی‌های شیمیایی به شیوه‌ای باشد که گنجاندن بیش‌تر مواد آغازین را در فرآورده‌ها‌ی نهایی درپی داشته باشد. گزینش این گونه دگرگونی‌ها، بازده را افزایش و فرآورده‌های بیهوده را کاهش می‌دهد.

طراحی فرایندهای شیمیایی کم‌آسیب‌تر

شیمی‌دان‌ها در جایی که امکان دارد باید شیوه‌ی را طراحی کنند تا موادی را به کار برد یا تولید کند که زهرآگینی کم‌تری برای آدمی یا محیط زیست داشته باشند. اغلب برای یک دگرگونی شیمیایی واکنش‌گرهای گوناگونی وجود دارد که از میان آن‌ها می‌توان مناسب‌ترین را برگزید.

طراحی مواد و فراورده‌های شیمیایی سالم‌تر

فراورده‌های شیمیایی باید به گونه‌ای طراحی شوند که با وجود کاهش زهرآگینی‌شان کار خود را به‌خوبی انجام دهند. فراورده‌های جدید را می‌توان به گونه‌ای طراحی کرد که سالم‌تر باشند و در همان حال، کار در نظر گرفته شده برای آن‌‌ها را به‌خوبی انجام دهند.

بهره‌گیری از حلال‌ها و شرایط واکنشی سالم‌تر

بهره‌گیری از مواد کمکی (مانند حلال‌ها و عامل‌های جداکننده) تا جایی که امکان دارد به کم‌ترین اندازه‌ برسد و زمانی که به کار می‌روند از گونه‌های کم‌آسیب‌رسان باشند. دوری کردن از جداسازی در جایی که امکان دارد و کاهش بهره‌گیری از مواد کمکی، در کاهش فراورده‌های بیهوده کمک زیادی می‌کند.

افزایش بازده انرژی

نیاز به انرژی در فرایندهای شیمیایی از نظر اثر آن‌ها بر محیط زیست و اقتصاد باید در نظر گرفته شود و به کم‌ترین میزان خود کاهش یابد. اگر امکان دارد، روش‌های ساخت و جداسازی باید به گونه‌ای طراحی شود که هزینه‌های انرژی مرتبط با دما و فشار بسیار بالا یا بسیار پایین به کم‌ترین اندازه‌ی خود برسد.

بهره‌گیری از مواداولیه‌ی نوشدنی

دگرگونی‌های شیمیایی باید به گونه‌ای طراحی شوند تا از مواد اولیه‌ی نوشدنی بهره گیرند. فرآورده‌های کشاورزی یا فرآورده‌های بیهوده‌ی فرآیندهای دیگر، نمونه‌هایی از مواد نوشدنی هستند. تا جایی که امکان دارد، این گونه مواد را به‌جای مواد اولیه‌ای که از معدن یا سوخت‌های فسیلی به دست می‌آیند، به کار بریم.

پرهیز از مشتق‌های شیمیایی

مشتق‌گرفتن ‌(مانند بهره‌گیری از گروه‌های مسدودکننده یا تغییرهای شیمیایی و فیزیکی گذرا) بایدکاهش یابد، زیرا چنین مرحله‌هایی به واکنشگرهای اضافی نیاز دارند که می‌توانند فراورده‌های بیهوده تولید کنند. توالی‌های جایگزین می‌توانند نیاز به گروه‌های حفاظت‌کننده یا تغییر گروه‌های عاملی را از بین ببرند یا کاهش دهند.

بهره‌گیری از کاتالیزگرها

کاتالیزگرها گزینشی بودن یک واکنش را افزایش می‌دهند؛ دمای مورد نیاز را کاهش می‌دهند؛ واکنش‌های جانبی را به کم‌ترین اندازه می‌رسانند؛ میزان دگرگون‌شدن واکنشگرها به فرآورده‌های نهایی را افزایش می‌دهند و میزان فرآورده‌های بیهوده مرتبط با واکنشگرها را کاهش می‌دهند.

طراحی برای خراب شدن

فروآرده‌های شیمیایی باید به گونه‌ای طراحی شوند که در پایان کاری که برای آن‌ها در نظر گرفته شده، به فرآورده‌ها‌ی تجزیه‌شدنی، بشکنند و زیاد در محیط زیست نمانند. روش طراحی در سطح مولکول برای تولید فرآورده‌هایی که پس از آزاد شدن در محیط به مواد آسیب‌نرسان تجزیه می‌شوند، مورد توجه است.

تحلیل در زمان واقعی برای پیش‌گیری از آلودگی

بسیار اهمیت دارد که پیشرفت یک واکنش را همواره پی‌گیری کنید تا بدانید چه هنگام واکنش کامل می‌شود یا بروز هر فراورده‌ی جانبی ناخواسته را شناسایی کنید. هر جا که امکان داشته باشد، روش‌های آنالیز در زمان واقعی به کار گرفته شوند تا به وجود آمدن مواد آسیب‌رسان پی‌گیری و پیش‌گیری شود.

کاهش احتمال روی‌دادهای ناگوار

یک راه برای کاهش احتمال روی‌داهای شیمیایی ناخواسته، بهره‌گیری از واکنش‌گرها و حلال‌هایی است که احتمال انفجار، آتش‌سوزی و رهاشدن ناخواسته‌ی مواد شیمیایی را کاهش می‌دهند. آسیب‌های مرتبط با این روی‌دادها را می‌توان به تغییردادن حالت(جامد، مایع یا گاز) یا ترکیب واکنش‌گرها کاهش داد.

کوشش‌ها و دستاوردهای شیمی سبز

شیمیدان‌های سبز در پی آن هستند که روندهای شیمیایی سالم‌تری را جایگزین روندهای کنونی کنند یا با جایگزین کردن مواد اولیه‌ی سالم‌تر یا انجام دادن واکنش‌ها در شرایط ایمن‌تر، فراورده‌های سالم‌تری را به جامعه هدیه دهند. برخی از آن ها می‌کوشند شیمی را به زیست‌شیمی نزدیک کند، چرا که واکنش‌های زیست‌شیمیایی طی میلیون‌ها سال رخ داده‌اند و چه برای آدمی و چه برای محیط زیست، چالش‌ها نگران کننده‌ی به وجود نیاورده‌اند.

بسیاری از این واکنش‌ها در شرایط طبیعی رخ می‌دهند و به دما و فشار بالا نیاز ندارند. فراورده‌های آن‌ها نیز به آسانی به چرخه‌ی مواد بازمی‌گردند و فراورده‌های جانبی آن‌ها برای جانداران سودمند هستند. الگو برداری از این واکنش‌ها می‌تواند چالش‌های بهداشتی و زیست‌محیطی کنونی را کاهش دهد.

گروه دیگری از شیمیدان‌های سبز می‌کوشند بهره‌وری اتمی را افزایش دهند. طی یک واکنش شیمیایی شماری اتم آغازگر واکنش هستند و در پایان بیش‌تر واکنش‌ها با فراورده‌هایی رو به رو هستیم که شمار اتم‌های آن‌ها از شمار همه‌ی اتم‌های آغازین بسیار کم‌تر است. بی‌گمان آن اتم‌ها نابود نشده‌اند، بلکه در ساختمان فرآورده‌های بیهوده و اغلب آسیب‌رسان به طبیعت رها می‌شوند و سلامت آدمی و دیگر جانداران را به چاش می‌کشند. هر چه بتوانیم اتم‌های بیش‌تری در فرآورده‌های بگنجانیم، هم به سلامت خود و محیط زیست کمک کرده‌ایم و هم از هدر رفتن اتم‌هایی که به عنوان مواد اولیه برای آن‌ها پول پرداخت کرده‌ایم، پیش‌گیری می‌کنیم.

بازطراحی واکنش‌های شیمیایی نیز راهکار سودمند دیگری برای پیش‌گیری از پیامدهای ناگوار مواد شیمیایی است. در این بازطراحی‌ها از مواد آغازگر سالم‌تر بهره می‌گیرند یا روندهایی را طراحی می‌کنند که با واکنش‌های مرحله‌ای کم‌تر به فراورده برسند. هم‌چنین، روندهایی را طراحی می‌کنند که به مواد کمکی کم‌تر، به‌ویژه حلال‌های شیمیایی، نیاز دارند. گاهی نیز واکنش‌های زیست‌شیمی و شیمی را به هم گره می‌زنند و روند سالم‌تری و کارآمدتری را می‌آفرینند. بازطراحی روند داروها می‌تواند همراه با افزایش کارآمدی آن‌ها به هر چه سالم‌تر شدن آن‌ها بینجامد و اثرهای جانبی آن‌ها بر روندهای زیست شناختی بدن، تا جایی که امان دارد، کاهش دهد.

سوخت‌های جایگزین

به کارگیری سوخت‌های فسیلی در خودروها با رهاشدن انبوهی از گازهای گلخانه‌ی به جو همراه شده که دگرگونی‌های آب و هوایی را در پی داشته است. از سوختن نادرست آن‌ها نیز، مواد زهرآگینی به هوا آزاد شده که سلامتی آدمی را به چالش کشیده است. حتی اگر بتوانیم بر این دو چالش بزرگ پیروز شویم، با کاهش روز افزون اندوخته‌های فسیلی روبه‌رو هستیم که از آن گریزی نیست.

این تنگناها همراه با افزایش روز افزون بهای این گونه سوخت‌ها، که به نظر می‌رسد همچنان ادامه یابد، پژوهشگران و مهندسان بسیاری را به فکر طراحی خودروهایی با سوخت هیدروژن انداخته است. چرا که خاستگاه این سوخت، آب است که فراوان‌ترین ماده در طبیعت است و فرآورده‌ی سوختن این سوخت در خودرو نیز خود آب است.

با این همه، سوخت هیدروژن با چالش بزرگی رو‌به‌رو است. فراهم آوردن هیدروژن از آب با فرآیند الکترولیز انجام می‌شود که برای پیشبرد آن به الکتریسیته نیاز هست و اکنون نیز بیش‌تر الکتریسیته از سوختن اندوخته‌های فسیلی به دست می‌آید. شاید روزی با به‌کاربردن برخی کاتالیزگرها بتوانیم از انرژی خورشیدی به جای سوخت‌های فسیلی در پیش بردن روند الکترولیز بهره گیریم، اما هنوز راهکار کارآمدی برای تولید ارزان هیدروژن پیشنهاد نشده است و به نظر نمی‌رسد در آینده‌ای نزدیک به چنین توانی دست پیدا کنیم. با این همه، برخی دانشمندان امیدوارند بتوانند خواستگاه زیستی برای هیدروژن به وجود آورند.

گروهی از پژوهشگران در سال 2000 میلادی گزارش کردند که توانسته‌اند از جلبک‌های سبز برای آزاد کردن هیدروژن از مولکول‌های آب، به همان اندازه که از الکترولیز به دست می‌آید، بهره‌ گیرند. اما نور خورشید برای این رویکرد گرفتاری درست می‌کند، چرا که جلبک طی فرآیند فتوسنتز اکسیژن نیز تولید می‌کند. این اکسیژن از کار آنزیم تولیدکننده‌ی هیدروژن جلوگیری می‌کند و در نتیجه هیدروژن اندکی به دست می‌آید دانشمندان می‌کوشند با تغییرهایی که در این فرایند طبیعی می‌دهند، بازده‌ی تولید هیدروژن را بالا ببرند. شاید یک روز آبگیر کوچکی که از جلبک پوشیده شده است، خواستگاه هیدروژن خودروهای ما باشد.

در رویکرد دیگر که مورد توجه است، از روغن‌های گیاهی به عنوان خواستگاهی برای تهیه‌ی سوخت جایگزین بهره می‌گیرند. برای تهیه‌ی این نوع سوخت، که با عنوان بیودیزل شناخته می شود، پس مانده‌ی روغن آشپزی را نیز می‌توان به کار گرفت. هر چند از سوختن این نوع سوخت نیز مانند دیگر سوخت‌های فسیلی گاز گل‌خانه‌ی آزاد می‌شود، اما به اندازه‌ا‌ی تولید می‌شود که گیاهان طی فرآیند فتوسنتز آن را برای تولید قند به کار می‌گیرند.

از سوی دیگر، روغن‌ها گیاهی نوشدنی هستند و از سوختن آن‌ها گوگرد و آلاینده‌های آسیب‌رسان دیگری آزاد نمی‌شود. از سودمندی‌های دیگر این نوع سوخت این است که گلیسرین، ماده‌ای که در صابون، خمیردندان، مواد آرایشی و جاهای دیگر به کار می‌رود، از فرآورده‌های جانبی روند تولید آن است. هم‌چنین، چون طی روند تولید این سوخت، به آن اکسیژن افزوده می شود، بهتر از سوخت نفتی در موتور می‌سوزد. به روغن‌کاری موتور نیز کمک می‌کند و بر درازی عمر آن می‌افزاید.

پلاستیک‌های سبز و تجزیه‌پذیر

زندگی در جهانی بودن پلاستیک بسیار دشوار است. پلاستیک‌ها در تولید هر گونه فرآورده ‌ی صنعتی، از صنعت خودروسازی گرفته تا دنیای پزشکی، به کارگرفته شده‌اند. تنها در ایالات متحده ‌ی امریکا سالانه نزدیک 50 میلیون تن پلاستیک تولید می‌شود. اما این مواد به عنوان زباله‌های پایدار به تجزیه میکروبی، چالش‌های زیست ‌ محیطی پیچیده‌ای به بار آورده‌اند.

پلاستیک‌ها علاوه بر این که جاهای به خاک‌سپاری زباله را پر کرده‌اند، سالانه در حجمی برابر با چند هزار تن به محیط‌های دریایی وارد می‌شوند. برآورد شده است که هر سال یک میلیون جانور دریایی به دلیل خفگی حاصل از خوردن پلاستیک‌ها به عنوان غذا یا به دام افتادن در زباله‌های پلاستیکی از بین می‌روند.

در سال های اخیر، کوشش‌های قانونی برای جلوگیری از دورریزی پلاستیک‌های تجزیه ناشدنی، افزایش یافته است. این کوشش‌ها صنعت‌‌گران پلاستیک را واداشته است تا در پی پلاستیک‌هایی باشند که پیامدهای زیست‌محیطی کم‌تری دارند. پلاستیک‌های نشاسته‌ای تجزیه‌پذیر و پلاستیک‌های میکروبی از دستاورد کوشش‌های چند ساله‌ی پژوهشگران این زمینه‌ی در حال پیشرفت و گسترش است.

در پلاستیک های نشاسته‌ای، قطعه‌های کوتاهی از پلی‌اتیلن با مولکول‌های نشاسته به هم می‌پیوندند. هنگامی که این پلاستیک‌ها در جاهای به خاک‌سپاری زباله ‌ها، دور ریخته می‌شود، باکتری‌های خاک به مولکول‌های نشاسته یورش می‌برند و قطعه‌های پلی‌اتیلن را برای تجزیه‌ی میکروبی رها می‌سازند. این گونه پلاستیک‌ها اکنون در بازار وجود دارند و به ویژه‌ برای پلاستیک‌ها جابه‌جایی و نگهداری مواد عذایی و دیگر وسایل یک‌بار مصرف بسیار سودمند هستند. با این همه، کمبود اکسیژن در جاهای به خاک‌سپاری زباله‌‌ها و اثر مهاری قطعه‌های پلی‌اتیلن بر عملکرد باکتری‌ها، بهره‌گیری استفاده از این پلاستیک‌ها را محدود ساخته است.

در سال 1925 میلادی گروهی از دانشمندان کشف کردند که گونه‌های زیادی از باکتری‌ها، بسپار پلی‌بی هیدروکسی بوتیرات(PHB) می‌سازند و از آن به عنوان اندوخته‌ی غذایی خود بهره می‌گیرند. در دهه ‌ی 1970، پژوهش‌های نشان داد که PHB بسیاری از ویژگی‌های پلاستیک‌های نفتی(مانند پلی‌اتیلن) را دارد. از این رو، کم ‌ کم گفت و شنود پیرامون بهره‌گیری از این بسپار به عنوان جایگزینی مناسب برای پلاستیک‌های تجزیه‌ناپذیر کنونی آغاز شد. سپس در سال 1992، گروهی از پژوهشگران ژن‌های درگیر در ساختن این بسپار را به گیاه رشادی(Arabidopsis thaliana) وارد کردند و به این ترتیب گیاهی پدید آوردند که پلاستیک تولید می‌کند.

سال پس از آن، تولید این پلاستیک سبز در گیاه ذرت آغاز شد و برای این که تولید پلاستیک با تولید مواد غذایی رقابت نکند، پژوهشگران بخش‌هایی از گیاه ذرت (برگ‌ها و ساقه‌ها) را، که به طور معمول برداشت نمی‌شوند، هدف قرار دادند. پرورش پلاستیک در این بخش‌ها به کشاورزان امکان می‌دهد که پس از برداشت دانه‌های ذرت، زمین را برای برداشت ساقه‌ها و برگ‌های دارای پلاستیک درو کنند. پژوهشگران درباره‌ی افزایش مقدار پلاستیک در گیاهان، پیشرفت‌های چشم‌گیری داشته‌اند. با این همه، هنوز دشواری‌هایی برای رسیدن به نتیجه‌ی مناسب وجود دارد.

کلروپلاست‌های برگ بهترین جا برای تولید پلاستیک به شمار می‌آیند، اما چون کلروپلاست‌های جای جذب نور هستند، مقدار زیاد پلاستیک می‌تواند فتوسنتز را مهار کند و بازده‌ی محصول را کاهش دهد. بیرون کشیدن پلاستیک از گیاه نیز دشوار است. این کار به مقدار زیادی حلال نیاز دارد که باید پس از بهره‌گیری، بازیافت شود. بر اساس تازه‌ترین تخمین‌ها, تولید یک کیلوگرم PHB در گیاه ذرت در مقایسه با پلی‌اتیلن به سه برابر انرژی بیش‌تری نیاز دارد. کشت انبوه میکروب‌های پلاستیک ساز نیز به همین میزان انرژی نیاز دارد.

بازطراحی واکنش‌‌های شیمیایی

در روند بازطراحی واکنش‌های شیمیایی از واکنشگرهای آغازکنده‌ای بهره گرفته می‌شود که سالم‌ترند. در این را ممکن است روندهای زیست‌شیمیایی نیز سودمند باشند. برای مثال، ادیپیک اسید، HOOC(CH2)₄COOH یک ماده‌ی خام کلیدی در تولید نایلون و فرآورده‌های مانند آن است که سالانه بیش از 2 میلیون تن از آن در صنعت به کار گرفته می‌شود. این ماده از بنزن ساخته می‌شود که سرطان‌زا است و از اندوخته‌های فسیلی نونشدنی به دست می‌آید.

اما به تازگی دو شیمیدان توانسته‌اند این ماده را از یکی از فراوان‌ترین، سالم‌ترین و نوشدنی‌ترین مواد طبیعی، یعنی گلوکز، بسازند. آن‌ها در این راه از باکتری‌هایی کمک گرفتند که با مهندسی ژنتیک آنزیم ویژه‌ای در آن‌ها کار گذاشته شده بود و به ناچار طی یک روند زیست‌شیمیایی ناخواسته، بنزن را از گلوکز می‌سازند.

توجه به اقتصاد اتم نیز کمک زیادی می‌کند. برای مثال، پژوهشگران توانسته‌اند اقتصاد اتمی را در روند تولید ایبوپورفن، ترکیبی که در بسیاری از آرامش‌بخش‌ها به کار می‌رود، از 40 درصد به 77 درصد برسانند و این یعنی، اتم‌های بیش‌تری که شرکت داروسازی برای آن‌ها هزینه پرداخته است، به صورت مولکول پر فروشی در می‌آیند و فراورده‌های بیهوده، که می‌توانند به محیط‌زیست آسیب برسانند، کم‌تر تولید می‌شوند.

چندسازه‌های زیستی

اگر چه موادشناسان تنها در چند دهه‌ی گذشته به سوی چندسازه‌ها گرایش پیدا کرده‌اند، طبیعت در خود چندسازه‌های بسیار سخت، پیچیده و گوناگونی دارد که از دیدگاه سختی و وزن، مانندی برای آن‌ها نمی‌توان یافت. به هر جای طبیعت که می‌نگریم، با یک چندسازه رو به رو می‌شویم. برای نمونه، صدف‌های دریایی از چندسازه‌ی سرامیکی سختی ساخته شده‌اند.

این سرامیک از لایه‌هایی از بلورهای سخت تشکیل شده که در زمینه‌ی سیمانی نرم‌تری جای دارند. این سرامیک سخت و پایدار، جاندار درون خود را از آشوب موج نگهداری می‌کند که پیوسته آن را بر سطح سخره‌ها می کوبد. بدن ما یک چند سازه است که از چندسازه‌هایی مانند استخوان، غضروف و پوست درست شده است.

بشر از سالیان دور از چندسازه‌های طبیعی بهره گرفته است. کاه که برای ساختن نخستین چندسازه‌ها به کار می‌رفت، خود نوعی چندسازه است. ابزارهای چوبی، کفش و لباسی که از پوست جانوران تهیه می‌شود، همه چندسازه‌های طبیعی‌اند. به خاطر این گوناگونی و ویژگی‌های بی‌مانند، موادشناسان تلاش می‌کنند از این مواد برای سختی بخشیدن به چندسازه‌های ساختگی(مصنوعی) بهره‌ گیرند تا از پیامدهای زیست ‌ محیطی ناگوار ناشی از مواد ساختگی بکاهند.

انویرون ( environ ) نمونه‌ای از این چندسازه‌هاست که از 40 درصد کاغذ روزنامه، 40 درصد گرد سویا و 20 درصد ترکیب‌های دیگر (از جمله رنگ‌دهنده‌ها و کاتالیزگری که در حضور آب کارا می‌شود و گرد سویا را به رزین دگرگونه می‌کند) ساخته می‌شود. فراورده‌ی کار، یک چندسازه‌ی زیستی است که ظاهری سنگ مانند دارد، اما مانند چوب می‌توان آن را برید. از این چندسازه می‌توان هر نوع ابزار چوبی را با ظاهری سنگ مانند ساخت.

شیمی سبز در سنتز نانوذرات اکسید روی

استفاده از روش‌های شیمی سبز در سنتز نانوذرات اکسید روی

پژوهشگران مؤسسه پژوهشی علوم و فناوری رنگ و پوشش، برای سنتز نوعی نانوذره از یک روش نوین منطبق بر اصول شیمی سبز استفاده کردند. این روش به دلیل استفاده از واکنشگرهای زیستی و سبز، به جای مواد شیمیایی سمی و آلاینده و همچنین سنتز در دما و فشار محیطی به جای شرای اغلب روش‌های سنتز شیمیایی نانومواد مانند سل-ژل، رسوب دهی شیمیایی، روش هیدروترمال، پیرولیز و رسوب بخار، منجر به ایجاد گونه‌های سمی می‌‌شوند.

بعضی از این واکنش‌ها برای شروع، به دما و فشار بالا نیاز دارند. برخی نیز نیازمند استفاده از اتمسفر بی اثر، مواد شیمیایی سمی، پایدارکننده‌ها و پیشران‌های سمی هستند که به محیط زیست لطمه‌های جدی وارد می‌کنند. لذا روش‌های سنتز شیمی سبز، به عنوان جانشینی با ارزش برای روش‌های شیمیایی سمی و مخرب خواهند بود. در این راستا، در طرحی، نانوذرات زیست سازگار بر پایه‌ی اکسید روی، به روش منطبق بر استانداردهای شیمی سبز سنتز شدند.

دکتر مهرناز قراگوزلو، با اشاره به مزایای استفاده از نتایج این طرح عنوان کرد: «انجام کلیه‌ی واکنش‌ها در حلال سبز آب، استفاده از بیوواکنشگر زیستی و سبز و حذف مواد و حلال‌های سمی و آلاینده از مهم‌ترین مزیت‌های روش پیشنهادی است. همچنین استفاده از مواد اولیه‌ی در دسترس و ارزان قیمت، دمای پایین، سهولت و تکرارپذیری روش استفاده شده از دیگر نتایج این طرح است. از طرف دیگر صنایع مختلف با بکارگیری این روش می‌توانند در بلند مدت از طریق کنترل آلودگی و استفاده‌ی کمتر از انرژی، در هزینه‌ها صرفه جویی کنند.

وی در ادامه برخی کاربردهای نانوذرات تولید شده را برشمرد و افزود: «کاربرد صنعتی و متداول این نانوذرات عمدتاً در صنعت لاستیک سازی است. این مصارف مربوط به عایق بودن آن در مقابل جریان الکتریسیته، ظرفیت حرارتی زیاد، خاصیت چسبندگی خوب و قدرت پوشش عالی آن است.

در واقع استفاده از نانوذرات اکسید روی در لاستیک باعث صافی و همواری شکل ظاهری، زیبایی و ظرافت بخشیدن به آن، افزایش دوام و حفظ استحکام لاستیک در دمای بالا و طول عمر زیاد آن می‌شود. افزون بر این، نانوذرات اکسید روی به دلیل خواصی مانند نیمه رسانایی، پیزوالکتریک و پیروالکتریک و نیز زیست سازگاری می‌توانند کاربردهای جدیدی در الکترونیک ‌نوری، حسگرها،‌ ترانسفورماتورها و پزشکی داشته باشند.

به گفته‌ی قراگوزلو، در این تحقیق ابتدا یک پیش ماده‌ی جدید سبز و محلول در آب، بر مبنای کمپلکس معدنی بیومولکول زیست سازگار با یون روی (II) سنتز شد. بیوکمپلکس مذکور به عنوان مدل زیستی از پیریدوکسال فسفات، که کوفاکتور واکنش‌های آنزیمی است، با مکانیسم تراکم آلدهید و آمین در pH معین و کنترل شده تهیه شد. سپس این بیوکمپلکس جدید با برنامه منظم حرارتی، تخریب گرمایی شد تا نانوذرات زیست سازگار بر پایه اکسید روی با توزیع اندازه یکنواخت و خواص مطلوب سنتز شوند.

این تحقیقات از همکاری دکتر مهرناز قراگوزلو، عضو هیأت علمی موسسه پژوهشی علوم و فناوری رنگ و پوشش، دکتر بیاتی و مهندس زهرا برادران حاصل شده که نتایج آن در مجله‌ی Ceramics International (جلد ۴۱، شماره ۷، سال ۲۰۱۵، صفحات ۸۳۸۲ تا ۸۳۸۷) منتشر شده است.

پیش‌گیری از آلودگی در سطح مولکولی

شیمی سبز: پیش‌گیری از آلودگی در سطح مولکولی

شیمی نقشی بنیادی در پیشرفت تمدن آدمی داشته و جایگاه آن در اقتصاد، سیاست و زندگی‌روزمره روز به روز پر رنگ‌تر شده است. با این همه، شیمی طی روند پیشرفت خود، که همواره با سود رساندن به آدمی همراه بوده، آسیب‌های چشم‌گیری نیز به سلامت آدمی و محیط زیست وارد کرده است.

شیمیدان‌ها طی سال‌ها کوشش و پژوهش، مواد خامی را از طبیعت برداشت کرده‌اند، که با سلامت آدمی و شرایط محیط زیست سازگاری بسیار دارند، و آن‌ها را به موادی دگرگونه کرده‌اند که سلامت آدمی و محیط زیست را به چالش کشیده‌اند. هم‌چنین، این مواد به‌سادگی به چرخه‌ی طبیعی مواد باز نمی‌گردند و سال‌های زیادی به صورت زباله‌های بسیار آسیب‌رسان و همیشگی در طبیعت می‌ماند.

بارها از آسیب‌های مواد شیمیایی به بدن آدمی و محیط زیست شنیده و خوانده‌ایم. اما، چاره‌ی کار چیست؟ آیا دوری و پرهیز از بهره‌گیری از مواد شیمیایی می‌تواند به ما کمک کند؟ تا چه اندازه‌ای می‌توانیم از آن‌ها دوری کنیم؟ کدام‌ها را می‌توانیم به کار نبریم؟ کدام‌یک از فرآورده‌های شیمیایی را می‌توان یافت که با آسیب به سلامت آدمی یا محیط زیست همراه نباشد؟

داروهایی که سلامتی ما به آن‌ها بستگی زیادی دارد، خود با آسیب‌هایی به بدن ما همراه‌اند. آیا می‌توانیم آن‌ها را به کار نبریم؟ آیا می‌توان آب تصفیه شده با مواد شیمیایی را ننوشیم؟ پیرامون ما را انبوهی از مواد شیمیایی گوناگون فراگرفته‌اند که در زهرآگین بودن و آسیب‌رسان بودن بیش‌تر آن‌ها شکی نداریم و از بسیاری از آن‌ها نیز نمی‌توانیم دوری کنیم.

بی‌گمان هر اندازه که بتوانیم از به کارگیری مواد شیمیایی در زندگی خود پرهیز کنیم یا از رها شدن این گونه مواد در طبیعت جلوگیری کنیم، به سلامت خود و محیط زیست کمک کرده‌ایم. اما به نظر می‌رسد در کنار این راهکارهای پیش‌گیرانه، که تا کنون کارآمدی چشمگیری از خود نشان نداده‌اند، باید به راه‌های کارآمدتری نیز بیاندیشیم که دگرگونی در شیوه‌ی ساختن مواد شیمایی در راستای کاهش آسیب‌های آن‌ها به آدمی و محیط زیست، یکی از این راه‌هاست. امروزه، از این رویکرد نوین با عنوان شیمی سبز یاد می‌شود که عبارت است از: طراحی فرآورده‌ها و فرآیندهای شیمیایی که به‌کارگیری و تولید مواد آسیب‌رسان به سلامت آدمی و محیط زیست را کاهش می‌دهند یا از بین می‌برند.

صنعت دارویی سبز

سنتز داروهای حیاتی از زیست توده طبیعی می‌تواند نسبت به روش‌های سنتی مقرون به صرفه‌تر باشد و محصولات جانبی سمی کمتری تولید کند.

به تازگی دانشمندان روسی با به کارگیری تکنیک‌های «شیمی سبز» توانسته‌اند از زیست توده گیاهی برای تولید مقادیر صنعتی از یک جزء اساسی یا «ماده شیمیایی پایه» بنام 5- هیدروکسی متیل فورفورال(5HMF-) برای ترکیبات دارویی مفید، استفاده کنند.

دانشمندان امیدوارند روش جدید منجر به تغییر آب و هوای جهانی شود زیرا کربن را خنثی می‌سازد. زیست توده گیاهی به عنوان ماده منبع، کربن را از طریق فتوسنتز طبیعی وارد می‌کند. سپس فرایند جدید زیست توده را به 5-HMF تبدیل می‌نماید. این مولکول راه‌انداز برای ساخت دیگر مواد شیمیایی که در شیمی آلی، علم مواد، سوخت های زیستی و صنعت دارویی کاربرد دارند، تحت فرایندهای بعدی قرار می‌گیرد.

استفاده از این فرایند نسبت به روش های سنتی ضایعات بسیار کمتری تولید می‌کند. سنتز یک کیلوگرم دارو با استفاده از روش‌های شیمیایی سنتی در هر جایی از 30 تا 100 کیلوگرم ضایعات تولید می‌کند که بسیاری از آنها سمی هستند؛ اما تنها محصول تولید (5HMF-) با استفاده از شیمی سبز، آب است.

مشکل دیگر تولید (5HMF-) با روش های سنتی مبتنی بر نفت، متلاشی شدن بسیار سریع آن به دلیل داشتن ناخالصی است. محققان یک فرایند کاتالیستی را برای ساخت یک جامد کریستالی از (5HMF-) با خلوصی حدود 99.9 درصد، توسعه دادند که خالص‌تر از نسخه‌های مبتنی بر نفت است و تجزیه نمی‌شود. این کار با تبخیر پیوسته آب از سطح زیست‌توده در طی واکنش انجام شده و باعث گردید مایع یونیزه برای تشکیل آنچه که محققان «محفظه های آبی نانوساختار» نامیدند، در سیستم باقی بماند.

در حال حاضر محققان در حال کار برای توسعه فرایندهای سبز کارآمد بیشتر برای تولید مستقیم مولکول‌های دارویی از زیست توده هستند.

شیمیدان‌های عصر جدید، شیمی سبز را توسعه می‌دهند

شیمی‌دان‌های مدرن در تلاش هستند که با جایگزین کردن کاتالیزورهای فلزی‌ فراوان و سازگار با محیط زیست به‌جای فلزهای ارزشمند به تولید دارو بپردازند.

کیمیاگرهای کهن تلاش می‌کردند سرب و دیگر فلزهای متداول را به طلا و پلاتین تبدیل کنند. امروزه شیمی‌دان‌های مدرن در آزمایشگاه پاول چیریک در پرینستون در تلاش‌اند با یافتن جایگزین‌های سازگار با محیط و ارزان برای فلزهای ارزشمندی مثل پلاتین، رودیوم و… وابستگی تولید دارو و صنایع داروسازی را به این فلزهای ارزشمند و ناسازگار با محیط از بین ببرند.

آن‌ها به یک روش انقلابی برای تولید یک نوع داروی صرع رسیده‌اند، در این روش به‌جای رودیوم و دی‌کلرومتان (حلال‌های سمی)، از کبالت و متانول برای تولید دارو استفاده می‌شود. واکنش جدید سریع‌تر و ارزان‌تر است و تأثیر کمی بر محیط دارد. به گفته‌ی چیریک، استاد شیمی دانشگاه ادواردز اس. سانفورد:

این یافته بر اهمیت شیمی سبز تأکید می‌کند، در شیمی سبز محلول سازگار با محیط به محلول شیمیایی ترجیح داده می‌شود. این کشف دارویی تمام عناصر سمی را در برمی‌گیرد. ما این برنامه را تقریبا ۱۰ سال پیش شروع کردیم که با هزینه‌ی زیادی همراه بود. فلزهایی مثل رودیوم و پلاتین بسیار گران‌قیمت هستند؛ اما با شروع کار فهمیدیم مشکلات ما فراتر از هزینه و سرمایه‌‌ی مادی است. این آزمایش با نگرانی‌های شدید محیطی همراه بود، استخراج پلاتین از زمین مستلزم حفر تا عمق یک مایلی زمین است و نشر انبوه کربن‌دی اکسید را به همراه خواهد داشت.

چیریک و تیم پژوهشی برای یافتن روش‌های سازگارتر با محیط و تولید مواد موردنیاز برای شیمی دارویی مدرن، با شیمی‌دان‌های مؤسسه‌ی Merck & Co  همکاری کردند. این همکاری به‌واسطه‌ی یکی از برنامه‌های مؤسسه‌ی ملی علوم با عنوان GOALI  امکان‌پذیر شد.

از طرفی بسیاری از مولکول‌ها در شکل‌های راست‌گرد و چپ‌گرد، عملکرد متفاوتی دارند و گاهی این واکنش‌ها با پیامدهای خطرناکی همراه هستند. سازمان غذا و داروی آمریکا با اعمال محدودیت‌هایی تأکید دارد که داروها تنها یک جهت (راست‌گرد یا چپ‌گرد) داشته باشند، به چنین داروهایی تک آنانتیومری گفته می‌شود.

چیریک می‌گوید:

شیمی‌دان‌ها به‌دنبال روش‌هایی هستند که تنها یک جهت مولکول‌های دارویی را ترکیب کنند (به‌جای ترکیب هردو جهت و سپس جداسازی آن). کاتالیزورهای فلزی که قبلا از فلزهای ارزشمندی مثل رودیوم ساخته می‌شدند، به حل این مشکل می‌پردازند. این مقاله نشان می‌دهد می‌توان از فلزهایی با فراوانی بیشتری مثل کبالت برای ساخت داروی صرع ازجمله کپرا استفاده کرد.

پنج سال پیش پژوهشگرها در آزمایشگاه چیریک نشان دادند می‌توان از کبالت برای تولید مولکول‌های تک آنانتیومری طبیعی استفاده کرد و به‌جای ترکیب‌های فعال و حلال‌های سمی از ترکیب‌های ساده برای تولید آن‌ها استفاده کرد. تیم این آزمایش را روی نمونه‌های واقعی انجام داد تا نشان دهد کبالت نسبت به فلزهای ارزشمند، سازگاری بیشتری با محیط دارد.

آن‌ها به این نتیجه رسیدند که روش جدید مبتنی برکبالت نسبت به روش رودیوم سریع‌تر است. به‌گفته‌ی چیریک، این مقاله یک نمونه‌ی نادر را نشان می‌دهند که در آن یک فلز با فراوانی زیاد نسبت در ترکیب داروهای تک آنانتیومری بهتر از فلزهای ارزشمند عمل می‌کند و قطعا استفاده از کاتالیزورهای فراوان‌ در طبیعت به‌جای فلزهای ارزشمند، مزایای زیست‌محیطی و مادی زیادی را به همراه دارد. برای مثال می‌توان به واکنش‌پذیری بهبودیافته و کاهش اثر محیطی اشاره کرد؛ البته ممکن است مزایای دیگری هم وجود داشته باشند که قبلا در هیچ نمونه‌ای مشاهده نشده‌اند. فلزهای اصلی نه‌تنها ارزان‌تر هستند بلکه نسبت به فلزهای کمیاب، سازگاری بیشتری با محیط دارند، اما این روش جدید از متانول استفاده می‌کند که نسبت به حلال‌های کلری موردنیاز رودیوم، با محیط سازگارتر است. چیریک می‌گوید:

تولید مولکول‌های دارویی به دلیل پیچیدگی بالا یکی از پراتلاف‌ترین فرآیندها در صنایع شیمیایی است. ‌ عامل اصلی تولید ضایعات، نوع حلال به‌کاررفته در واکنش است. روند و فرآیند تولید داروی به دی‌کلرومتان وابسته است که یکی از حلال‌های ارگانیک دارای حداقل سازگاری با محیط است. پژوهش ما نشان می‌دهد کاتالیزورهای فراوان نه‌تنها در متانول (به‌عنوان یک حلال سازگار) واکنش می‌دهند بلکه عملکرد بهینه‌ای در این واسطه دارند.

این کشف یک پیشرفت انقلابی برای کاتالیزورهای فلزی فراوان است؛ زیرا درگذشته پایداری و مقاومت آن‌ها به‌اندازه‌ی فلزهای ارزشمند نبود. پژوهش ما نشان می‌دهد هر دو واسطه‌ی حلال و فلزی می‌توانند به‌صورت سازگار با محیط عمل کنند.

به‌گفته‌ی مکس فردفلد مؤلف ارشد این مقاله و دانشجوی فارغ‌التحصیل آزمایشگاه چیریک، متانول یک حلال متداول برای ساختار شیمیایی تک جهتی است؛ اما اولین بار است که در یک سیستم کبالتی به‌خوبی عمل می‌کند. میل ترکیبی کبالت با حلال‌های سازگار با محیط شگفت‌انگیز است. چریک می‌گوید:

تقریبا به مدت ۱۰ سال، کاتالیزورهای فلزهای فراوان مثل آهن و کبالت برای واکنش به شرایطی با خلوص و خشکی بالا نیاز داشتند، این کاتالیزورها بسیار شکننده بودند. با واکنش در متانول نه‌تنها شکل محیطی واکنش بهبود پیدا کرد؛ بلکه استفاده از کاتالیزورها و کنترل آن‌ها نیز آسان‌تر شد. این نتیجه کبالت را به رقیبی برای فلزهای ارزشمند تبدیل کرده که می‌تواند در بسیاری از کاربردها ازجمله هیدروژنه‌سازی مورداستفاده قرار بگیرد.